制造系統何漢武2/3/20231ManufacturingSystem主要內容4.1

虛擬制造的產生與流派4.2

虛擬制造的定義4.3虛擬制造的特點4.4

虛擬制造與實際制造之間的關系4.5虛擬制造的理論基礎4.6虛擬制造的技術體系4.7

虛擬制造系統的體系結構4.8分布式虛擬制造系統4.9數字原型與虛擬培訓4.10虛擬制造的應用案例第四章虛擬制造系統2/3/20232ManufacturingSystem產生背景

社會發展、科技進步、生活節奏加快

全球經濟一體化：全球制造網絡、WTO

制造產業信息化：電子商務、CPC

消費個性化：顧客化大生產制造業競爭重點的變遷規模60s成本70s質量80s速度90s2/3/20233ManufacturingSystem市場競爭的新要求對市場需求的快速反應各種資源的集成與共享各種資源的合理利用基于網絡的信息獲取與融合網絡技術創新機制虛擬現實信息技術設計與制造系統與過程分布式虛擬制造制造業的發展必然2/3/20234ManufacturingSystem先進制造技術計劃（美國）關鍵技術(制造)計劃（美國）敏捷制造使能技術計劃(TEAM)（美國）

智能制造(IMS)技術國際合作計劃（日本)

制造2000年計劃（德國）高級先進制造技術計劃(G-7)（韓國）相關研究計劃2/3/20235ManufacturingSystem最新研究進展利用DFMA技術，MD公司對MD-11型飛機壓式空氣門的再設計,使零件數減少36%，裝配操作減少34%，重量減少107鎊。美國國防先進研究工程機構創建了基于因特網的制造系統的敏捷基礎結構。美國海軍開發的集成制造數據環境系統中已采用美國Computervision公司研制的虛擬制造系統軟件EPD.Connect。福特汽車公司的FordC3P集成系統，為公司的內給部門或其供應商提供了各種信息，使每年的成本下降了2億多美元。波音公司的777客機，在IBM公司的計算機輔助三維交互式系統Catia的支持下，在虛擬制造環境中，由2200個工作站和8個大型機分布式處理大量數據，分別在美國、日本、巴西和澳大利亞等地生產的機身部件一次裝配成功，偏差僅為0.3毫米。2/3/20236ManufacturingSystem虛擬制造對未來制造業的影響

對制造系統中的五大要素（人、管理、物流、信息流、能量流）高度集成；

促進生產過程和制造系統的優化配置，推動生產力的巨大躍升；全面改進企業的組織管理工作，及時發現問題并改進現實制造過程；

加快企業人才的培養速度，對生產人員進行操作訓練以及異常工藝的應急處理等。

2/3/20237ManufacturingSystem以設計為中心的VM目標：1優化設計及優選工藝2加工方案評價產品設計概念以生產為中心的VM目標：1資源優化2選擇評價工藝3驗證新工藝供設計者參考的制造信息新產品模型新產品工藝產品制造信息工廠資源以控制為中心的VM目標：1優化車間控制2優化制造過程車間機床控制系統虛擬生產計劃新工藝及對應的信息質量估計虛擬產品原型、成本估算CAD/CAM已有的模型和工藝日程模型邏輯模型過程模型成品模型參數虛擬制造的流派2/3/20238ManufacturingSystem虛擬制造的相關定義（1）日本Kimura：通過對制造知識進行系統化組織與分析，對整個制造過程建模，在計算機上進行設計評估和制造活動仿真。佛羅里達大學GloriaJ.Wiens：虛擬制造與實際一樣在計算機上執行制造過程，其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產品的功能及可制造性的潛在問題進行預測。

2/3/20239ManufacturingSystem虛擬制造的相關定義（2）美國空軍Wright實驗室：虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層設計制造和生產決策與控制的能力。

Marinov：虛擬制造是一個系統，在這個系統中，制造對象、過程、活動和準則的抽象原型被建立在基于計算機的環境中，以增強制造過程的一個或多個方面的屬性。

2/3/202310ManufacturingSystem虛擬制造的相關定義（3）馬里蘭大學EdwardLin：虛擬制造是一個用于增強各級決策與控制的一體化的、綜合性的制造環境。清華大學肖田元：虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質實現，即采用計算機仿真與虛擬現實技術，在計算機上實現產品開發、制造，以及管理與控制等制造的本質過程，以增強制造過程各級的決策與控制能力。

2/3/202311ManufacturingSystem虛擬制造的定義一個在計算機網絡及虛擬現實環境中完成的，利用制造系統各層次及不同側面的數學模型，對包括設計、制造、管理和銷售等各個環節的產品全生命周期的各種技術方案和技術策略進行評估和優化的綜合過程。2/3/202312ManufacturingSystem虛擬制造技術的定義是一門以計算機仿真技術、制造系統與加工過程建模理論、VR技術、分布式計算理論、產品數據管理技術等為理論基礎，研究如何在計算機網絡環境及虛擬現實環境下，利用制造系統各層次及各環節的數字模型，完成制造系統整個過程的計算與仿真的技術。

2/3/202313ManufacturingSystem虛擬制造系統的定義是一個在虛擬制造技術的指導下，在計算機網絡和虛擬現實環境中建立起來的，具有集成、開放、分布、并行、人機交互等特點的，能夠從產品生產全過程的高度來分析和解決制造系統各個環節的技術問題的軟硬件系統。2/3/202314ManufacturingSystem虛擬制造的特點

集成性反復性并行性人機交互性2/3/202315ManufacturingSystem虛擬制造與實際制造的關系

虛擬制造是對實際制造活動的抽象實際制造是虛擬制造的實例虛擬制造是一種更高層次上的計算機技術在設計、制造、管理等實際制造的各個環節中的應用2/3/202316ManufacturingSystem虛擬制造的理論基礎虛擬制造的理論基礎建模理論連續系統建模離散系統建模機理建模

辯識建模

神經網絡建模

模糊神經網絡建模

模糊建模

實體流圖法

活動周期圖法

Petri網法

仿真理論連續系統仿真離散系統仿真實時仿真事件調度法活動掃描法

進程交互法

并行計算點對點通信

全局通信

并行控制與任務組

處理機拓撲

并行I/O

2/3/202317ManufacturingSystem可視化交互建模體系結構模型說明語言運行參數實驗VIM環境體系結構可視化參數分析可視化VIS環境體系結構交互式用戶模型生成器模型說明模型分析模型轉換結果可執行模型2/3/202318ManufacturingSystem虛擬制造企業建模具有不同資源與技術優勢的企業為共同開拓市場，共同對付其他的競爭者而組織的建立在信息網絡基礎上的技術與信息共享的、聯合開發的、互利的企業聯盟體。是一種為實現某一特定市場目標，由協同自治的獨立單元通過動態組合而構成的新型制造系統。

虛擬制造企業定義2/3/202319ManufacturingSystem虛擬制造企業特點虛擬制造企業使傳統企業界限模糊化虛擬制造企業具有流動性和靈活性的特點虛擬制造企業是建立在當今發達的信息網絡基礎之上的企業合作虛擬制造企業運用并行工程來分解和安排各參與企業的工作虛擬制造企業一般在技術上占有優勢虛擬制造企業可以看作是一個企業網絡2/3/202320ManufacturingSystem虛擬制造企業的功能

并發活動控制聯盟虛擬動作分布式信息流管理設計制造優化結盟行為市場需求并發活動控制分布式信息流管理

2/3/202321ManufacturingSystem虛擬制造企業的體系結構人機交互接口個性化用戶界面通訊協議和數據交換標準(IGES、STEP等)網絡及物理鏈路、硬件設備產品模型、數據、只是和規則基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虛擬設計平臺虛擬加工平臺虛擬控制平臺界面層框架層應用層數據層協議層網絡層2/3/202322ManufacturingSystem組織學習9.聯盟治理機制4.交易成本及其它成本的期望凈現值3.期望收益的凈現值1.問題定義政府目標一致相互吸引共同需求5.額外的風險補償費用6.基于凈利潤的選擇文化2.解決方案的確定和合作機會的認知7.目標風險8.風險評估聯盟障礙外部激勵虛擬制造企業的決策模型2/3/202323ManufacturingSystem分布式虛擬制造企業網絡Internet市場機遇機遇1機遇2機遇n企業網絡成員企業虛擬企業1虛擬企業2虛擬企業32/3/202324ManufacturingSystem虛擬制造單元建模單元管理Agent任務Agent資源/資源單元Agent

多智能體結構混合式層次結構

單元管理Agent層任務Agent層資源單元/資源Agent層虛擬資源層

KQML

STEP/SDAI

各Agent間通信

與CIMS間通信

2/3/202325ManufacturingSystem基于Agent的層次結構NP,KQML任務管理Agent任務Agent（1）任務Agent（2）任務Agent（n）虛擬資源Agent(1)CIM-ISNegotiationProtocol(NP),KQML虛擬資源Agent(2)虛擬資源Agent(m)用戶訂單2/3/202326ManufacturingSystem仿真計算機（實體動力學模型、環境模型）

接

口

伺服控制回路物理量傳感器物理效應設備物理效應設備計算機生成環境、數據庫

實物系統或操作人員實時仿真系統2/3/202327ManufacturingSystem虛擬環境下的多任務仿真加工中心1加工中心2裝卸站運輸小車緩沖站1緩沖站2立體倉庫柔性制造單元的組成2/3/202328ManufacturingSystem虛擬環境下的多任務仿真多任務系統L0運輸類L11P1運毛坯P2運零件P3空閑緩沖站類L12P4有零件P5有毛坯P6空閑加工類L13P7加工P8空閑立體倉庫類L14P9有加工任務P10空閑計算機管理類L15P11數據庫操作FMC多任務仿真對象模型2/3/202329ManufacturingSystem多任務仿真的控制策略信號機對象同步：加工中心、加工緩沖區與自動倉庫等作為獨立線程對象共享搬運資源，采用信號機對象同步防止共享沖突。事件對象同步：采用事件對象同步來保持加工緩沖站與加工中心，運輸小車與立體倉庫之間的合作。互斥體對象同步：多線程的圖形仿真需要共享圖形設備資源。實現中采用互斥體對象同步各線程共享計算機圖形設備資源。

2/3/202330ManufacturingSystem產品虛擬裝配仿真虛擬裝配規劃

真實的生產環境CAD系統數據表示交互式裝配模擬裝配序列生成裝配數據庫裝配規劃圖流程圖裝配時間表規劃者（佩戴數據手套、頭盔式顯示器等設備）輸入接口輸出結果操作界面虛擬裝配規劃生成器2/3/202331ManufacturingSystem虛擬裝配設計環境VADE基于虛擬現實的訓練系統計算機輔助過程規劃系統機器人路徑規劃系統專用的裝配設備設計VADE環境CAD環境DFA分析軌跡信息序列信息部件幾何特征屬性及裝配信息等軌跡及序列信息設計變化的建議2/3/202332ManufacturingSystem生產線可視化仿真2/3/202333ManufacturingSystem虛擬裝配的模型及裝配過程2/3/202334ManufacturingSystem虛擬制造的使能技術使能技術多通道交互

網絡環境下知識獲取與建庫

基于VR的計算可視化

虛擬環境建模

產品建模

數據轉換與處理

2/3/202335ManufacturingSystem虛擬制造的關鍵技術關鍵技術虛擬設計與裝配技術

虛擬實驗技術虛擬生產技術

虛擬產品實現技術虛擬檢測與評價技術虛擬紋理分析技術2/3/202336ManufacturingSystem使能技術之一多通道交互技術虛擬現實設備的軟硬件接口驅動技術

大面積紋理的可見性快速顯示技術

信息與時間的同步技術

真實感渲染的三維圖形加速技術

三維定位跟蹤設備的定標技術

人像分離與多傳感信息的融合技術

2/3/202337ManufacturingSystem虛擬環境建模技術圖像圖形混合建模技術

場景預處理技術

虛擬聲的生成與增強技術

多細節層次建模技術

智能化視區裁剪技術

基于圖像的繪制技術使能技術之二2/3/202338ManufacturingSystem產品建模技術零部件的物理建模方法

工程分析的有限元計算方法

工程分析結果的多準則圖示方法基于物理的工程行為特征建模方法

工程對象的單元化劃分方法

使能技術之三2/3/202339ManufacturingSystem

數據轉換與處理技術

數據文件格式轉換技術

產品數據管理技術

使能技術之四2/3/202340ManufacturingSystem

網絡環境下知識獲取與建庫技術

網絡化異構知識與數據信息的統一表達

基于VR的產品設計與制造集成過程鏈

網絡環境下虛擬產品數據與指令的傳輸與共享

分布式虛擬仿真節點的協同與自治

虛擬場景的快速漫游、繪制與網絡傳輸

基于多Agent的虛擬企業信息重組與集成

使能技術之五2/3/202341ManufacturingSystem

基于VR的科學計算可視化技術

多通道技術與可視化技術的映射機理與操縱方法

特征可視化與拓撲結構分析

基于VR的可視化與駕馭計算

分布式的計算與可視化環境的協同

使能技術之六2/3/202342ManufacturingSystem關鍵技術之一虛擬設計與裝配技術虛擬產品形狀設計虛擬裝配/拆卸設計與優化虛擬樣機具有力覺的虛擬裝配2/3/202343ManufacturingSystem虛擬產品實現技術基于表面質量分析的切削參數選擇

遠程機器人操作與監控虛擬測量技術關鍵技術之二虛擬加工2/3/202344ManufacturingSystem虛擬檢測與評價技術虛擬表面接觸剛度分析基于應力的加工質量評價裝配信息建模刀位軌跡檢查及碰撞干涉檢驗工藝過程規劃與仿真

關鍵技術之三2/3/202345ManufacturingSystem虛擬實驗技術虛擬測試

虛擬樣機的性能評價虛擬試驗的運行平臺

關鍵技術之四虛擬試驗的物理建模2/3/202346ManufacturingSystem虛擬生產技術虛擬生產線/車間實時三維布局基于VR的網絡化分散制造仿真與評價

生產線/車間生產過程虛擬仿真關鍵技術之五2/3/202347ManufacturingSystem現有體系結構Mediator體系。是一個側重于知識信息的管理體系，考慮了多軟件、多地域的集成方法。強調合作和分布式的用戶環境。缺點：沒有涉及到產品開發周期，沒有體現模型技術和數據管理技術在其中的地位。Iwata體系。與現實制造系統中的RPS和RIS相對應，將VMS分成VPS和VIS，該體系建立了一個車間內的制造活動和數據模型，集成性較強。缺點：忽略了虛擬制造的控制行為，且開放性有所欠缺。

基于socket的分布式體系。注重對活動/數據的網絡分布性研究，初步解決了虛擬制造下的項目管理、設計和制造等事務的支持。缺點：缺乏產品開發過程的層次化控制，難以解決虛擬制造系統的復雜性要求。

工具集體系。認為可以用工具思想表達產品開發過程的各類活動，缺點：不支持產品開發活動中產品和制造數據間的反饋和交互。2/3/202348ManufacturingSystem虛擬制造的功能框圖產品建模產品異地設計零部件分析優化快速原型生產工藝優化工具設計優化刀位控制參數優化刀位軌跡參數優化加工方案評估虛擬實驗虛擬檢測工藝模型驗證產品模型實驗：虛擬機床生產計劃仿真優化虛擬生產布局虛擬設備集成虛擬裝配虛擬生產平臺服務器虛擬企業平臺服務器企業協同工作環境企業虛擬運行企業運行仿真產品優化設計產品性能評價可制造性評價虛擬設計虛擬制造虛擬生產虛擬企業2/3/202349ManufacturingSystem分布式虛擬制造系統體系結構人機交互接口個性化用戶界面通訊協議和數據交換標準(IGES、STEP等)網絡及物理鏈路、硬件設備產品模型、數據、只是和規則基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虛擬設計平臺虛擬加工平臺虛擬控制平臺界面層框架層應用層數據層協議層網絡層2/3/202350ManufacturingSystem分布式虛擬制造

虛擬制造中的多智能體結構多智能體系統與虛擬現實仿真分布式虛擬環境DVE2/3/202351ManufacturingSystem分布式集成環境的特點支持智能體的自主性和相對獨立性，使其能夠根據內部狀態和外部消息事件控制自身的行為；支持數據、過程以及通信設施的封裝，使智能體有明確的邊界、標識和引用的概念；支持消息的通信，直接給出與通信意圖有關的信息；支持新的過程加入以及數據與通信信息修改的重組能力。2/3/202352ManufacturingSystem多智能體的通用框架結構客戶應用服務請求Agent系統服務Agent客戶環境服務環境客戶應用公共服務Agent2/3/202353ManufacturingSystem多智能體對虛擬制造的作用通過智能體間的通訊，開發新的規劃或求解方法來處理不完全或不確定的知識；通過智能體間合作，可以改善各智能體的基本能力，并從智能體的交互中進一步理解其社會行為；系統的程序空間與它所描述的現實空間有一致的對應關系，符合人的認知習慣，對系統代碼的理解、修改、維護和移植都帶來了方便。

2/3/202354ManufacturingSystem分布式虛擬環境DVE

DVE系統無集中控制節點，無全局模擬時鐘，同時支持實時交互和共享虛擬工作空間；

DVE系統的各節點都采用了“協議數據單元”（PDU）通過網絡交換實體狀態信息和事件信息；

DVE系統必須支持節點頻繁動態地加入或退出虛擬系統，支持多個用戶以多種方式相互通信。

是一個由多臺計算機經網絡連接而成的虛擬控制與操作環境，各計算機之間可通過網絡高頻率地交換實體狀態更新信息，并由異地操作人員對大量動態實體進行控制操作，以保證該虛擬環境的參與者之間的實時交互，保證整個虛擬世界在顯示設備上變化的平滑性和一致性。其特點為：

2/3/202355ManufacturingSystemDVE的關鍵技術規模和功能可擴展的異構型軟件結構自然的人-機交互技術網絡通信和網絡協議異構性分布式環境動態可擴展性安全性設施

DVE系統與工具的開發

2/3/202356ManufacturingSystem開發DVE所要考慮的因素網絡帶寬異構性（硬件異構、軟件異構、網絡異構）分布交互性規模可擴展性、可擴充性及可配置性失敗管理2/3/202357ManufacturingSystemDVE的發展方向建立協同虛擬環境(cooperativevirtualenvironment，簡稱CVE)以支持協同工作；使用Internet網和ATM網，并將幾何場景數據庫分布存儲以節省傳送量；

使用限時計算技術保證實時交互性；

DVE中幾何模型數據的管理；將三維真實感聲音集成到DVE中，從而增加環境的沉浸感；人工智能技術的引入。

2/3/202358ManufacturingSystem數字原型的基本概念

在產品的設計和加工規劃的過程中，將物理試驗模型用數字的形式來表示，即實物模型數字化，這就是數字原型。采用數字原型的目標是保證對產品的造型、功能及其技術關聯從多個角度進行實時和可靠的操作。2/3/202359ManufacturingSystem基于數字原型的分析與設計2/3/202360ManufacturingSystem三維動感的數字原型建模幾何建模對象的表面處理動態建模物理屬性建模

2/3/202361ManufacturingSystem波音777飛機數字化裝配2/3/202362ManufacturingSystem福特汽車公司的數字原型件2/3/202363ManufacturingSystem虛擬自動生產線2/3/202364ManufacturingSystem虛擬制造培訓系統組成培訓任務規劃器培訓仿真器行為評估器指導器和用戶接口

2/3/202365ManufacturingSystem基于多智能體的體系結構培訓仿真器培訓任務規劃器指導器行為評估器用戶接口培訓用戶2/3/202366ManufacturingSystem網絡環境下的系統軟件構成數控系統編程軟件信息輸入模塊幾何仿真軟件系統物理仿真軟件系統建模、智能決策模塊基于網絡的系統軟件集成調度管理平臺CAD/CAPP/CAM系統信號分析、智能診斷與預測維修軟件系統數據庫模型庫2/3/202367ManufacturingSystem基于網絡的VM培訓系統2/3/202368ManufacturingSystem虛擬汽車原型2/3/202369ManufacturingSystem基于圖像的虛擬布局系統原型2/3/202370ManufacturingSystem虛擬汽車設計（內部）2/3/202371Manu